Módulo de articulación robótica hueca: ¿Por qué es importante el tendido de cables en las articulaciones robóticas?

Al revisar la hoja de especificaciones de una articulación robótica, normalmente nos fijamos primero en el par, la velocidad, las dimensiones y el peso. Existe otro parámetro que puede parecer un detalle estructural, pero que puede tener un impacto significativo en el rendimiento de la articulación una vez integrada en un robot.

Ese parámetro es la estructura hueca para el tendido de cables.

El espacio dentro de una articulación robótica ya es limitado. El motor, el reductor, el accionamiento, el codificador y los rodamientos deben ocupar parte del espacio disponible. Entonces, ¿por qué dejar un paso por el centro?

La respuesta se vuelve más clara cuando la articulación se considera como parte del robot completo en lugar de como un actuador aislado.

¿Por qué las articulaciones robóticas necesitan un diseño hueco?

Un robot no es solo un sistema mecánico. También es un sistema móvil para energía, señales y otros suministros.

Cuando un brazo robótico realiza una operación de recogida y colocación, las articulaciones son solo una parte del sistema. Una pinza eléctrica situada al final del brazo necesita alimentación y señales de control. Una cámara necesita conexiones de alimentación y comunicación. Una pinza neumática o un sistema de vacío puede requerir tubos de aire. Todas estas conexiones deben extenderse desde el cuerpo del robot hasta el efector final a través del brazo en movimiento.

Cuando el brazo robótico está inmóvil, organizar estos cables y tubos es relativamente sencillo. Sin embargo, una vez que las articulaciones comienzan a girar, la situación cambia.

Un haz de cables que antes estaba suelto puede quedar tensado. El exceso de cable puede sobresalir hacia afuera. Los cables guiados alrededor de una articulación también pueden sufrir flexiones y torsiones repetidas.

Si un cable se daña, se estira o desarrolla una conexión intermitente, el problema deja de ser simplemente una cuestión de apariencia. Puede afectar a la fiabilidad de todo el sistema robótico.

Por este motivo, el tendido de cables de las articulaciones robóticas debe considerarse junto con la estructura mecánica y el rango de movimiento de la articulación. Si el recorrido del cable se diseña solo después de que las articulaciones y los eslabones ya se hayan definido, pueden ser necesarios soportes adicionales, fundas protectoras o estructuras de guiado, y puede ser necesario modificar la disposición mecánica original.

Una articulación robótica hueca proporciona un paso dedicado a través de la articulación para cables, tubos y otras conexiones internas.

Cuando este paso está alineado con el espacio interno de los eslabones del robot y la interfaz del efector final, los cables y tubos pueden guiarse a través de la estructura del robot en lugar de quedar expuestos en el exterior del brazo. Esto puede reducir los bucles de cables externos y contribuir a un diseño general más compacto.

Articulaciones huecas frente a no huecas: ¿en qué se diferencia el tendido de cables?

Las diferencias entre el tendido externo de cables y el tendido a través de una estructura hueca pueden analizarse en varias dimensiones de ingeniería.

La debilidad del tendido externo de cables no consiste simplemente en si un cable acabará fallando, sino en cuándo fallará.

La vida útil a flexión de un cable es una especificación estadística. Un cable clasificado para un millón de ciclos de flexión bajo condiciones de ensayo definidas puede tener una vida útil sustancialmente diferente bajo esfuerzos combinados reales que impliquen flexión, torsión, tensión, temperatura y condiciones de instalación.

La falla de un cable también puede ser intermitente. Un cable puede parecer intacto externamente mientras que los conductores individuales de su interior ya se han dañado. El resultado puede ser una pérdida intermitente de comunicación o una interrupción inesperada de la alimentación en el efector final, lo que dificulta la localización de averías y aumenta los costes de mantenimiento.

Sin embargo, el tendido de cables a través de una estructura hueca introduce sus propios desafíos de ingeniería.

El paso interno tiene un espacio limitado. Los cables deben atravesarlo y, al mismo tiempo, quedar correctamente fijados, protegidos contra la abrasión y contar con suficiente holgura para el montaje.

El paso también puede estar situado cerca del motor y de los componentes de transmisión, que pueden encontrarse entre las zonas más cálidas de la articulación. Por ello, los cables guiados a través de la sección hueca deben seleccionarse de acuerdo con las condiciones reales de temperatura dentro del paso, y no simplemente según la temperatura ambiente de funcionamiento.

El tendido de cables también forma parte del proceso de montaje. Cuando el diámetro interior hueco disponible es reducido, incluso una pequeña disminución de la holgura puede aumentar el tiempo necesario para instalar un cable durante la producción.

Hay otro aspecto que no debe pasarse por alto.

Los dos lados de una articulación robótica giran uno con respecto al otro. Si el haz de cables está fijado a distintos componentes móviles en cada lado de la articulación, el cable puede seguir experimentando torsión a medida que la articulación gira. También pueden producirse flexión local o fricción en la entrada y la salida del paso hueco.

Por lo tanto, una articulación hueca no elimina la necesidad de considerar la flexibilidad del cable, la resistencia a la torsión, la fijación, la protección y la holgura de movimiento.

Poder pasar físicamente un cable por el orificio hueco es solo el primer paso. El cable también debe comprobarse a lo largo de todo el rango operativo de la articulación para garantizar que no experimente flexión, torsión, tensión o abrasión excesivas.

¿Qué tamaño debe tener el orificio hueco?

Una vez seleccionado el tendido interno de cables, la siguiente pregunta es directa:

¿Qué tamaño necesita tener el orificio hueco?

El enfoque más evidente es considerar la cantidad de cables y tubos neumáticos que deben pasar a través de la articulación. Sin embargo, en el diseño mecánico real, no basta con sumar simplemente sus áreas de sección transversal.

La primera consideración es qué debe pasar por el orificio durante el montaje.

El propio cable puede ser relativamente pequeño, mientras que el conector de su extremo puede ser considerablemente mayor. Si se utiliza un arnés de cables premontado, las dimensiones del conector pueden determinar si el arnés puede pasar por el orificio hueco.

Si el cable se guía primero y se conecta después, el diseño debe considerar en cambio el espacio de trabajo interno disponible y si el mantenimiento futuro puede realizarse de forma eficiente.

La segunda consideración es qué parte del orificio es realmente utilizable.

Las fundas protectoras, los casquillos, los revestimientos y otras estructuras de protección pueden ocupar parte del diámetro disponible. Los cables múltiples también requieren holgura entre las líneas individuales, en lugar de formar una sección transversal perfectamente compactada.

En la salida del paso, puede requerirse espacio adicional para que los cables cambien de dirección sin forzarlos a un radio de curvatura demasiado pequeño.

Por estas razones, seleccionar un orificio hueco que simplemente sea "lo suficientemente grande para que quepa todo" no es un criterio de ingeniería adecuado.

El diseño del tendido también debe proporcionar suficiente margen para el montaje, el movimiento y el mantenimiento.

¿Un orificio hueco más grande siempre es mejor?

No necesariamente.

Cuando el diámetro y la longitud generales de la articulación están limitados, aumentar el orificio hueco reduce el espacio disponible a su alrededor para el motor, el reductor, los rodamientos y los componentes de soporte estructural.

Para mantener la capacidad de salida y la rigidez estructural requeridas, puede ser necesario rediseñar la arquitectura interna o aumentar las dimensiones generales de la articulación.

Por lo tanto, el orificio hueco adecuado debe determinarse según la aplicación real.

Los factores importantes incluyen:

• Qué dispositivos se conectarán al efector final

• Las especificaciones y la cantidad de cables y tubos neumáticos

• Cómo se instalarán los conectores

• El rango de rotación requerido de la articulación

• El radio de curvatura requerido del cable

• Los requisitos de montaje

• Los requisitos futuros de mantenimiento o sustitución de cables

Una vez que estos requisitos estén claros, el tamaño de orificio necesario podrá evaluarse con mayor precisión.

Para una articulación robótica, el orificio hueco es un parámetro dimensional.

Sin embargo, para el robot completo, es un paso que debe formar parte del diseño mecánico, eléctrico, de montaje, de movimiento y de mantenimiento.

El diseño hueco debe considerarse al inicio del diseño de la articulación

El valor de una articulación robótica hueca no consiste simplemente en proporcionar un paso por el centro del actuador.

Su verdadero valor reside en integrar la articulación con los requisitos de tendido de cables del robot completo.

Cuando el recorrido de guiado interno se considera desde el inicio del proceso de diseño mecánico, el robot puede diseñarse de modo que la articulación tenga suficiente capacidad de movimiento mientras los cables y las líneas neumáticas permanecen debidamente protegidos y controlados.

Por lo tanto, un actuador de articulación hueca bien diseñado debe equilibrar el tamaño del orificio hueco, la rigidez estructural, la integración del motor y la transmisión, las condiciones térmicas, los requisitos de cableado, el montaje y el mantenimiento.

El objetivo no es simplemente hacer el orificio lo más grande posible.

El objetivo es crear un recorrido de guiado que funcione junto con la arquitectura mecánica del robot, para que la articulación pueda moverse según sea necesario mientras los cables y tubos dispongan de espacio suficiente para funcionar de forma fiable durante toda la vida útil del robot.

Conclusión: diseño de una articulación robótica hueca para el sistema robótico completo

Una articulación robótica hueca no debe evaluarse únicamente por el diámetro de su abertura central.

El orificio hueco forma parte de la arquitectura mecánica y eléctrica del robot. Sus dimensiones afectan al tendido de cables, la instalación de conectores, la protección de cables, las condiciones térmicas, la integración estructural y el mantenimiento.

Por lo tanto, para los fabricantes de robots y los integradores de sistemas, la pregunta correcta no es simplemente si una articulación tiene un orificio hueco, sino si el actuador de articulación hueca proporciona un recorrido de guiado que se ajusta al diseño completo del robot.

Cuando el tendido de cables se considera desde el principio, la articulación robótica puede diseñarse en función de los requisitos reales del efector final, el rango de movimiento, la configuración de cables, la rigidez estructural y la vida útil.

Un diseño hueco bien integrado permite que la articulación proporcione el movimiento requerido y, al mismo tiempo, ofrece a los cables y tubos un recorrido controlado a través de la estructura del robot. Esto hace que el orificio hueco sea más que una característica estructural: se convierte en una parte importante de la arquitectura general de la articulación robótica.